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優(yōu)化NVH 每天降噪一分貝

2018-02-27 14:11:24·  
　
汽車聲學工程師最熟悉的一幕：專家正在測試車內(nèi)安裝Aachen HEAD的兩路立體聲測試系統(tǒng)HMS IV。(Wade Bray / HEAD Acoustics Inc.)車輛總工程師并不滿意他在最近一次試駕中聽到的車內(nèi)的噪聲。他原本正在仔細復核一款新的變速箱，并打算把它用在公司最具競爭力的跑車系列上。然而，當車搭載上這款變速器后，車內(nèi)產(chǎn)生了很大噪音
 
 
汽車聲學工程師最熟悉的一幕：專家正在測試車內(nèi)安裝Aachen HEAD的兩路立體聲測試系統(tǒng)HMS IV。(Wade Bray / HEAD Acoustics Inc.)
 
車輛總工程師并不滿意他在最近一次試駕中聽到的車內(nèi)的噪聲。
 
他原本正在仔細復核一款新的變速箱，并打算把它用在公司最具競爭力的跑車系列上。然而，當車搭載上這款變速器后，車內(nèi)產(chǎn)生了很大噪音，效果令人難以接受。對此，首席工程師顯然很不滿意，而據(jù)設計師和制造工程師解釋，這款新的變速箱的最大特色就是其纖薄輕巧的鋁制外殼。然而，這款輕巧的外殼正是制造出巨大噪音的“罪魁禍首”。
 
公司已經(jīng)投入資金做了這個部件的預定，項目截止日期也不斷逼近，一通電話被撥到了Pranab Saha的辦公室。
 
為了讓 2018 款奧德賽具備最一流的車艙傳聲清晰指數(shù)，本田投入了大量 NVH 技術資源。
 
“他們請我?guī)退麄冊O計一個解決方案，”Saha這么說道。Saha是密歇根州 Waterford 地區(qū)咨詢公司 Kolano & Saha 的注冊噪聲控制工程師、聲學專家。他告訴我們，一開始，由于鋁箔襯背絕緣材料的緣故，這款變速箱的噪音問題得以掩蓋。然而，這塊絕緣材料上必須開幾個孔，這樣才能不影響連接和布線。而問題就在于這些切口會給噪聲的傳播制造通道。
 
對此，Saha的解決方案是：與其在變速器外殼采用絕緣材料，不如將絕緣材料放在變速器通道下方。工程師將重新審視自己的 CAD 圖紙設計，并進行相應的修改。接下來，他們將進行噪聲分析，驗證新解決方案的有效性。
 
一輛典型乘用車NVH系統(tǒng)的平鋪分解圖，顯然這種設計會增加重量。（工程師Kolano 和 Saha提供） 
 
Saha指出，“這只是我們幫客戶解決噪聲問題的案例之一：該從哪里入手優(yōu)化 NVH 性能呢？”
 
目前，分析、衰減和消除車輛 NVH 影響，已經(jīng)成為汽車研發(fā)中不可分割的一部分。NVH 工程團隊正在開展“每天降噪一分貝”的項目，要像降低車輛重量或提高車輛燃料經(jīng)濟性一樣，努力降低車艙內(nèi)的噪聲。
 
“噪音和震動（N&V）這個領域很特殊，因為它的發(fā)展原動力來自于市場競爭，而非政府規(guī)定，”Saha解釋道，“如今，我們會聽到有些OEM吹噓，說自己某款車的車內(nèi)聲效比市面上的某一款好，噪音也更小。而隨著汽缸鈍化、混合動力以及電動汽車等技術被引入市場，降噪減震會變得愈發(fā)重要。”
Cooper-Standard全球產(chǎn)品戰(zhàn)略副總裁兼防震系統(tǒng)開發(fā)組主管Joe Emmi告訴我們，隨著自動駕駛汽車所搭載的全新人機交互界面（HMI）走向市場，車廂更安靜和駕車更平順已經(jīng)成為了人們的一種訴求。
 
Pranab Saha，博士，工程師，圖為其站在公司的其中一個消音測試艙內(nèi)。（照片來源：Lindsay Brooke）
 
目前，OEMs和一級供應商已經(jīng)投入了數(shù)十億資金，用于開發(fā)新的 NVH 軟件、設施、材料及支付 Saha 等其他聲學專家咨詢公司的咨詢費。此外，吸音材料對保證車輛的 NVH 性能非常關鍵，因此吸音材料制造商的發(fā)展也邁入上升趨勢。根據(jù) 2017 年《大觀研究》(Grand View Research) 報告，2021 年之前，消聲產(chǎn)品的全球市場規(guī)模的年均復合增長率將達 6%，在 2021 年達到 135.2 億美元。
 
在此背景之下，聰明的供應商也開始順應市場趨勢，推銷自己的消聲材料，比如：Material Sciences Corp. 用于儀表盤的“無聲鋼（Quiet Steel）”，日企Technol Polymer Co. Ltd的“Hushlloy”熱塑性消聲塑料，以及Sika Automotive公司可用于抑制車身共振的共擠型合成橡膠“Sika Damp”。
此外，為了響應汽車行業(yè)對 NVH 性能的重視，市場中還涌現(xiàn)了一批專用NVH 性能優(yōu)化軟件，包括：SCS 公司的 V-Path 傳播路徑分析軟件；HEAD Acoustics 公司的 Artemis NVH 測試軟件；Genesis 公司的 LEA；Altair Engineering 公司的 HyperWorks 套裝，及達索系統(tǒng)CATIA V6/3DS 內(nèi)的嵌入式NVH 工具箱及Siemens PLM 等等。
 
SAE International一直以來都致力于為NVH工程師提供一個專業(yè)的交流、溝通的平臺，學會每兩年舉辦一次（今年會議與展覽將在密歇根州的Grand Rapids地區(qū)舉辦）的“噪音與震動技術大會與展覽（Noise and Vibration Conference and Exhibition）”。
 
典型的兩層式消聲緩沖板的工作原理圖
 “控制變量法”
 
N&V工程師研究的領域包含了信息源、路徑（包括實體架構和空氣）和接收器（即噪音和震動的目標物）。這個領域中，越早確定問題所在并著手解決，成功的可能就越大。在一定程度主觀判斷的基礎之上，這些工程師把重點放在量化目標參數(shù)之間的關系上，比如：通過某種數(shù)據(jù)獲取方式精確比對聲音和頻率的測量值。
 
終端客戶輸入也是分析的一部分。對于很多客戶而言，提高音效和減少噪音及降低其分貝同樣重要。心理聲學專家對此十分認同。聲音的音量、刺耳度和清晰度指數(shù)（一種在噪音環(huán)境下聆聽講話的清晰度測試）都是主觀參數(shù)。
 
接受本文采訪的專家都認同說，與鋼結構相比，輕薄的鋁結構在眾數(shù)分析中會展現(xiàn)出更多不同的N&V特性，并且有不少特性令專家相當犯難。要控制好震動就需要更結實的車身面板和附加的抑制材料，如LASD底部填補劑和洞孔填充泡沫。
 
有些應用程序采用了主動降噪系統(tǒng)（詳見Honda補充報道，將于近期即將在微信平臺推送）。這類應對方案常被冠以“創(chuàng)可貼”的稱呼，原因就在于它們并不直擊問題根源——也就是基本設計框架的問題，比如：氣缸體諧振過度等結構性問題。此外，這種解決方案還會增加車身重量。
 
Altair Engineering汽車部的高級副總裁Richard Yen觀察后指出，“很多公司在NVH方面都做得不錯，但它們的根本問題是總要等到汽車研發(fā)的尾聲階段才進行各種測試。也就是說他們把大量的錢花在了糾錯上。”
如果選擇使用鋁制材料，工程師往往會添加更多用料，以達到和鋼結構同樣的降噪減震效果。在NVH專家Saha看來，這樣做的結果就是“實際上在汽車內(nèi)部‘購置空間’來安放噪震吸收材料，而不是直擊車體基本結構的問題。而他們對此的解釋就是吸收材料比較輕。”
 
緩沖墊已經(jīng)成為了將發(fā)動機噪音屏蔽在客廂外的一種戰(zhàn)略性“城防工事”。緩沖墊像“防火墻”一樣覆蓋在隔板兩邊。最初，緩沖墊是充當屏障和解耦裝置的，而如今，它的作用無疑是充當吸收材料。而作為一種“耗散性”材料，顯然，緩沖墊會占據(jù)更多剖面空間。
 
如今，為了追求更高的燃料經(jīng)濟性，越來越多的OEM開始將目光放在氣缸鈍化等提升能源效率的技術上，而由于發(fā)動機在開啟/關閉部分氣缸時（比如 6 缸切換至 4 缸或 3 缸）會產(chǎn)生不均勻燃燒，造成發(fā)動機低頻震爆（具體水平取決于傳播路徑有所不同），從而帶來噪聲。為了應對這一獨特需求，相關 NVH 創(chuàng)新技術更是層出不窮。
 
氣缸間歇式發(fā)動機會帶來一些不同以往的NVH問題，緩解這些問題的有效方案有很多，如：控制扭矩轉換離合器打滑時，采用發(fā)動機主動制動控制系統(tǒng)（AEB）和變速箱支撐膠墊（效果好但成本高），以及使用車內(nèi)音響系統(tǒng)主動降噪等等。[更多詳情請參閱SAE技術論文 2014-01-1675，由Tula Technologies發(fā)布]合成材料會在一些扭矩反作用應用上產(chǎn)生吸收震動的效果?；诖?，Cooper-Standard正在一款歐洲車型上使用連續(xù)纖維的熱塑性塑料發(fā)動機支架。
 
在行業(yè)開始關注控制 NVH 性能的最初 20 年中，車內(nèi)噪聲水平的下降趨勢。（來源：Car and Driver）
     
整車建模
NVH方面的建模已經(jīng)相當成熟了。其核心就是統(tǒng)計能量分析（SEA）工具，包括Cambridge Collaborative Inc.研發(fā)的SEAM 3D，以研究潛水艇的結構噪音。自此，汽車業(yè)就將其作為了一種有效的CAE設計工具，用來研發(fā)NVH聲音工具，為輕巧型車型設計服務。通過使用SEA，工程師能評估在中頻和高頻時復雜結構的動態(tài)反應，并彌補輕量化設計帶來的NVH方面的不足。
 
SEA“能讓聲學工程師采用‘控制變量法’做研發(fā)，”Pranab Saha說，“比如說，某個組件的質量減輕后，噪音水平會怎么變？”
 
通用汽車最近開始使用一種內(nèi)部開發(fā)的建模工具，叫做DISPET。DISPET能讓工程師把NVH工具包在不同車型中的作用發(fā)揮到最大。在開始時錄入車身設計和動力系統(tǒng)噪音后，就能具體指定所需的NVH材料。“就給定的厚度和表面密度，用戶只要輸入測得的聲音數(shù)據(jù)即可，”一位熟悉DISPET的工程師告訴我們，“系統(tǒng)會告訴你是否達到預期的降噪目標。而如果你自己不知道目標數(shù)值是多少，DISPET會告訴你，在某個頻率下，數(shù)值是否高了或低了一分貝。”
 
Altair Engineering 的整車NVH模擬器模擬時的車內(nèi)環(huán)境。
整車NVH模擬技術在業(yè)界有有很強的競爭優(yōu)勢，因此，各家OEM對其內(nèi)部程序的具體運作守口如瓶。大約五年前，Altair Engineering在這一技術的商業(yè)化方面處于領先。Altair的NVH模擬器樣子很像電腦游戲的手柄，你的面前有一塊巨大的液晶屏，駕駛員就在屏幕里的“路上”。
 
“有了整車模擬器后，我們又建了一個相關的模型，可以利用測試數(shù)據(jù)模擬出在某一噪音和震動環(huán)境下駕駛汽車的場景。”Altair降噪減震的項目總監(jiān)Jiamin Guan解釋道，“這一模擬需要汽車在不同環(huán)境條件下駕駛時的數(shù)據(jù)，同時，也會讓你有身臨其境的噪音感受。”
 
Altair與著名的專業(yè)儀表公司Brüel &Kjaer合作，共同開發(fā)出了這套能盡享“實車”體驗的模型。模型是在某一汽車項目著手之初就建好的，也就是在設定標桿和具體規(guī)格時。Altair的第一步就是想象有一個虛擬的目標客戶，然后怎樣找到一款符合其要求的車。之后建模團隊給出各種可行性較高的方案，進行包裝并增加功能需求，接著讓客戶來聆聽與感受這些測量出的數(shù)據(jù)。
 
整車模型“可以讓社會中不同層次的客戶群體來體驗各種我們想要確定采用的噪音和震動水平，并讓我們知道人們是否認可這些數(shù)值。”Guan談到，“回放這些噪音和震動水平后，我們可以在某些地方進行精修。我們可以了解人們喜歡的是什么，不能接受的什么，以及更看重怎樣的‘音效’。一旦我們有了具體的目標數(shù)值，無論是對于我們還是客戶而言，接下來要考慮的就是如何實現(xiàn)它們了。”
 
Guan稱，整車建模工具讓工程師能夠在汽車重量和成本一定的前提下，自由地進行改進，并評估這些概念性的想法。“如果沒有整車建模，很多東西我們就無法確定。比如說，相比鋼結構的車身，鋁材質對于震動的影響大小有多少。有些構思可以通過整車建模來評估，無論最終是否能夠達標。”
大多數(shù)的NVH討論會似乎都繞不開汽車電動化這個話題。對于聲學以及N&V方面的專家而言，這一趨勢會讓他們的工作變簡單還是變得更難呢？“我們接到電話，讓我們從聲學和密封性兩方面給電動汽車的隔音系統(tǒng)拿主意。”Pranab Saha說，“盡管我們還沒有感受到很大的變化，但顯然供應面轉向電動汽車應該是大勢所趨。”Saha和其他專家都提到，盡管電動汽車的整體噪音減小了，但此前被內(nèi)燃機掩蓋的其他噪音則現(xiàn)了原形。
 
Saha表示，“NVH專家仍在努力調(diào)試新的隔音系統(tǒng)，以應對今后電動汽車頻段上的新挑戰(zhàn)。”
 
作者：Lindsay Brooke
來源：SAE《國際汽車工程 （AEI）》雜志  
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